基于WSN和GPRS的水資源在線監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)*

王文劍，潘善亮

（寧波大學，浙江 寧波 315211）

1 引言

通過分析水質(zhì)監(jiān)測技術現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢，針對不同的水質(zhì)監(jiān)測環(huán)境與目標，提出一整套融合多種信息源的水質(zhì)監(jiān)測模型與方案。在此基礎上，運用先進的無線傳感器網(wǎng)絡（WSN, Wireless Sensor Networks）、數(shù)據(jù)分析等技術，建立區(qū)域水質(zhì)監(jiān)控與管理平臺。主要內(nèi)容包括：

（1）適合于郊外山區(qū)的大型水質(zhì)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡的設計方案；

（2）高性能、低功耗水質(zhì)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計與實現(xiàn)；

（3）無線傳感器節(jié)點在目標區(qū)域的部署與無線傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)；

（4）研究多種水質(zhì)監(jiān)測技術的有機融合，根據(jù)需要合理部署不同類型傳感器和監(jiān)測設備；

（5）水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理，綜合型水質(zhì)監(jiān)測平臺的設計與實現(xiàn)。

本課題的主要研究思路是：在引進國外先進ASI（Actuator-Sensor-Interface）傳感器基礎上，采用基于NXP JN5148無線微控制器模塊的低功耗傳感器，通過分布式動態(tài)組網(wǎng)，實現(xiàn)大范圍、24小時不間斷的監(jiān)測。同時設計具有定位功能的GPRS無線傳感器節(jié)點，能夠隨時偵測到飲用水源的污染情況，適用于組網(wǎng)困難等惡劣環(huán)境下的監(jiān)測，使水質(zhì)監(jiān)測和管理更為全面有效，從而實現(xiàn)水質(zhì)狀態(tài)的實時監(jiān)測，避免人工測量的繁瑣及監(jiān)測數(shù)據(jù)的延時，解決傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測平臺續(xù)航差、維護成本高、適應性差等問題。采用基于支持向量機算法的水質(zhì)異常模式識別方法進行數(shù)據(jù)分析，基于WorldWind的可視化界面，逐漸提高系統(tǒng)的智能化水平。

2 總體方案設計

總體方案設計主要分成三個基礎組成部分，分別是硬件采集傳輸模塊，服務器端數(shù)據(jù)存儲和處理模塊，用戶端數(shù)據(jù)展示模塊。

在硬件端，為保證設備在實際應用的可靠性，分別采用了兩套傳輸方案，一套采用ZigBee協(xié)議用于無線傳輸，一套則采用GPRS用于數(shù)據(jù)傳輸，中間層協(xié)議分別采用TCP/IP協(xié)議和MQTT推送協(xié)議。終端控制器采用LPC1758和ARM9，ZigBee模塊采用NXP JN5148芯片，GPRS模塊采用M35GSM芯片[2]。

LPC1758與JN5148間使用串口進行通信，底層通信采用485總線，通信協(xié)議使用Modbus協(xié)議，單片機終端中使用FreeRTOS系統(tǒng)進行資源管理，同時在系統(tǒng)中架設兩個協(xié)議棧TCP/IP以及Modbus。GPRS終端中，ARM9與M35GSM芯片同樣采用串口進行通信，ARM9中使用linux系統(tǒng)進行資源管理，配置端口單獨采用以太口，在ARM9中分別架設兩個協(xié)議棧：Modbus以及TCP/IP協(xié)議，控制芯片與傳感器使用標準485連接，傳感器與ARM間通信協(xié)議采用Modbus協(xié)議。

服務端采用MQTT服務終端與BOOST庫聯(lián)合編程，用于實現(xiàn)后端數(shù)據(jù)的處理。數(shù)據(jù)庫端使用Oracle數(shù)據(jù)庫，并作為底層通信數(shù)據(jù)與高層終端應用的橋梁，基于OTL庫（Oracle, Odbc and DB2-CLI Template Library）開發(fā)實現(xiàn)了通信端與服務器端的連接與數(shù)據(jù)傳輸。通過在跨平臺的C++程序中使用OTL來操作數(shù)據(jù)庫，使數(shù)據(jù)的通信與存儲更加高效安全。在數(shù)據(jù)可靠性方面，通過設置心跳報文時刻關注各個節(jié)點的運行狀況，及時將無效的報文排除，維護數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的準確性。增加了硬件中的報文緩存，并重新設計了網(wǎng)絡從異常中回復時的處理邏輯，使得系統(tǒng)具有一定的故障恢復能力；增加日志模塊，提高了對系統(tǒng)狀態(tài)的把握。項目的總體框架如圖1所示。

3 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)前端設計

針對傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測平臺的硬件終端中續(xù)航差及無法適應惡劣環(huán)境等問題，分別架設兩種終端節(jié)點，一種是基于ZigBee終端的網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡下同時掛在多個

圖1 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)總體框架

在該邏輯中，配置網(wǎng)站通過假設Tomcat服務器實現(xiàn)，配置文件為一個XML文件，記錄包含有傳感器的Modbus地址、傳感器中數(shù)據(jù)的解析方式及傳感器中數(shù)據(jù)的計量單位等信息。

4 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)后端服務器設計

在服務器端，對應于兩種不同的硬件終端，分別開發(fā)兩套后端處理程序，一套用于處理ZigBee協(xié)議傳輸?shù)腡CP二進制文件，另一套則用于處理MQTT協(xié)議傳輸?shù)腏SON數(shù)據(jù)。下面開始介紹兩種服務端軟件的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)。

4.1 服務端架構(gòu)

為保證服務質(zhì)量，在服務端使用MQTT[7]的消息代理終端，用于處理各種硬件連接不可靠的連接情況，業(yè)務邏輯則使用專用軟件實現(xiàn)，軟件的服務端架構(gòu)如圖6所示：

圖6 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)服務端軟件框架圖

上述框架中，MQTT消息代理采用mosquito程序，負責連接的建立、底層終端信息的獲取，上層軟件則負責信息的流向、存儲。上層軟件的構(gòu)架如圖7所示：

圖7 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)業(yè)務邏輯管理框架

在業(yè)務服務端，主要采用C++編程實現(xiàn)，為保證項目的可移植性和軟件的可靠性，多數(shù)程序采用BOOST庫編程。內(nèi)存管理全部采用BOOST的智能指針實現(xiàn)，基礎數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)則采用BOOST庫和STL庫相結(jié)合的方式，以保持系統(tǒng)的安全可靠。

4.2 業(yè)務邏輯流程

在業(yè)務端，業(yè)務邏輯被分成兩條進程進行管理，以加快數(shù)據(jù)的處理速率。首先，當MQTT消息代理程序?qū)I(yè)務數(shù)據(jù)投遞到程序連接之后[8]，MQTT連接管理將負責投遞該數(shù)據(jù)到緩存隊列當中，緩存隊列通過一個鏈表實現(xiàn)，鏈表通過加鎖機制防止前后端讀寫不一致的情況，當數(shù)據(jù)被投遞到數(shù)據(jù)庫管理模塊后，管理端首先調(diào)用數(shù)據(jù)處理模塊對數(shù)據(jù)進行解析操作，然后根據(jù)解析內(nèi)容不同，確定投入的表，同時每次數(shù)據(jù)到達時，設備管理終端刷新計時器，若該設備是新的設備，同時還要負責將該設備插入設備在線管理池中，為該設備開啟新的計時器。業(yè)務邏輯流程圖如圖8所示。

5 水質(zhì)數(shù)據(jù)顯示客戶端

利用采集的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于支持向量機算法建立水質(zhì)異常模式識別模型，實現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的智能化分類。水質(zhì)數(shù)據(jù)顯示客戶端用于在數(shù)字地理信息系統(tǒng)中實時地顯示由水質(zhì)傳感器捕獲的數(shù)據(jù)，給予用戶更好的體驗以及更為直觀的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。用戶能夠在三維虛擬數(shù)字地球中進行漫游，能夠通過鼠標以及手勢方便地與系統(tǒng)進行交互，實時地查看各個監(jiān)測點的水質(zhì)信息。對于檢測到的水質(zhì)異常，系統(tǒng)會以動畫的方式向用戶發(fā)出警報。

系統(tǒng)開發(fā)了基于Web以及基于客戶端的虛擬數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)，使得用戶能夠通過不同的途徑訪問系統(tǒng)，以獲取實時的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。WorldWind[9]是一個NASA開發(fā)的開源虛擬地理信息顯示系統(tǒng)，有分別基于java和.net開發(fā)兩個版本，能夠?qū)⒒赪MS發(fā)布的地理信息數(shù)據(jù)通過一個三維的虛擬地球進行展示。通過WorldWind提供的API對其進行二次開發(fā)，能夠在三維數(shù)字地球中實時地顯示水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)。

圖8 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)業(yè)務層邏輯

基于WorldWind打造了一個水質(zhì)數(shù)據(jù)三維實時顯示系統(tǒng)，用戶在三維數(shù)字地球中進行漫游，查看并管理由分布于不同監(jiān)測點的水質(zhì)傳感器捕獲的水質(zhì)信息。用戶能夠通過鼠標以及手勢的方式與客戶端進行交互，在此，基于Kinect對用戶的手勢進行捕獲和識別。多樣的交互方式大大提升了操作的靈活性以及系統(tǒng)的可用性。

該模塊的系統(tǒng)框架如圖9所示：

圖9 基于WorldWind的三維數(shù)據(jù)顯示客戶端

系統(tǒng)最終的顯示界面如圖10所示。

6 結(jié)束語

隨著水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)在市某水庫的順利實施，該系統(tǒng)實現(xiàn)了水質(zhì)信息的自動獲取、實時發(fā)布和動態(tài)展示等功能；在低功耗無線水質(zhì)傳感器節(jié)點研制方面取得了突破，采用基于NXP JN5148無線微控制器模塊的低功耗傳感器節(jié)點，通過分布式動態(tài)組網(wǎng)，實現(xiàn)大范圍、24小時不間斷的監(jiān)測；同時設計具有定位功能的GPRS無線傳感器節(jié)點，能夠隨時偵測到飲用水源的污染情況，適用于組網(wǎng)困難等惡劣環(huán)境下的監(jiān)測，使水質(zhì)監(jiān)測和管理更為全面有效。未來將建立具有決策支持的水資源三維展示平臺和對外網(wǎng)站，建立水資源圖像數(shù)據(jù)庫，開發(fā)基于視頻圖像的水華監(jiān)測技術和水質(zhì)圖像分析，進一步實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測智能化。

圖10 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示界面